Q550高强钢轴心受压矩形柱抗火性能研究

发布时间：2020-04-19 20:08

【摘要】：新材料、新技术和新理论是土木工程发展的助推剂。随着钢材产量的不断提高,生产工艺水平的不断发展,加工制作技术的不断革新,在建筑市场强烈需求驱动下,采用高强度结构钢作为建筑结构材料是近年来土木工程发展的新趋势。已颁布的《钢结构设计标准》(GB50017-2017)和即将颁布的《高强钢结构设计规程》中均对高强钢给出相关规定与设计条文,此为高强钢的应用提供了可靠技术支持。高强钢在结构构件受力性能、建筑使用功能以及社会效益和环保效益等方面具有明显优势,一些关乎国计民生且人员聚集的重大建筑(如高层办公楼、展厅等)以及结构中受力关键部位均大量采用了高强钢材料。然而,近年来建筑火灾频发,给建筑结构安全带来了严重危害,结构的抗火性能研究显得尤为重要。与普通碳素钢相同,高强钢抗火性能较为羸弱,而国内外现行规范中均尚无针对高强钢的相关抗火设计条文,这对高强钢的应用无疑是巨大的技术缺失。为了补充高强钢抗火性能试验研究和计算理论,完善相关规范的高强钢抗火设计条文,本文对无约束Q550高强钢轴心受压矩形柱抗火性能开展了试验研究和有限元模拟,揭示其在火灾下的行为反应和破坏机理,给出相应抗火计算公式。对国产Q550高强钢材料开展了4个常温试件和18个高温试件的力学性能试验。其中,常温下材料力学性能采用静态标准拉伸试验完成,高温下材料力学性能采用高温稳态试验完成。试验结果表明:(1)当温度为20℃和100℃时,Q550高强钢应力-应变曲线屈服平台较短,班慧勇提出的多折线本构模型与试验结果吻合很好;(2)当温度高于100℃时,Q550高强钢应力-应变曲线不具有屈服平台,Ma等人提出的一段式本构模型与试验结果吻合很好。最终,本文采用上述两种本构模型,为后续的有限元分析提供重要材料力学性能数据。基于材料力学性能试验结果,对8根无约束Q550高强钢轴心受压矩形柱抗火性能开展了试验研究。试验主要考察荷载比n、长细比λ、截面宽厚比H/t和截面高宽比H/B对高强钢轴心受压柱抗火性能的影响,揭示了火灾下高强钢轴心受压柱的受力性能和破坏模式。通过火灾试验获取了各试件的炉温-时间曲线、表面温度-时间曲线、轴向位移-时间曲线、跨中侧向位移-时间曲线、临界温度和最大轴向位移。试验结果表明:(1)荷载比n是影响其临界温度的重要参数,荷载比n的增大会明显降低试件临界温度;(2)荷载比n、长细比λ、截面宽厚比H/t和截面高宽比H/B对火灾下试件最大轴向位移有着显著影响。采用ABAQUS有限元软件建立试验试件的精确有限元模型,对火灾下Q550高强钢轴心受压矩形柱的力学行为进行数值模拟分析,再现试件火灾试验的全过程,考察其破坏过程与受力性能;将数值分析结果与试验结果进行对比分析,进而验证了有限元模型的准确性。采用精确的有限元模型对Q550高强钢轴心受压矩形柱抗火性能的6个影响因素(截面面积A、截面宽厚比H/t、整体弯曲缺陷幅值e_0、长细比λ、荷载比n和截面高宽比H/B)进行参数化分析,分析结果表明:(1)截面面积A、长细比λ和荷载比n是影响试件临界温度的重要参数,且荷载比n的影响最为显著。(2)整体弯曲缺陷的有无对试件临界温度也有很大的影响,但缺陷幅值e_0的大小对试件临界温度影响不大。(3)试件宽厚比H/t和长细比λ影响其最终破坏形态。当长细比λ=10时,试件破坏时仅发生局部屈曲;当宽厚比H/t≤21.33且长细比λ≥50时,试件破坏时表现为整体屈曲;在其余条件下,试件破坏时同时发生整体屈曲和局部屈曲。(4)当长细比λ=30~90时,试件轴向位移曲线在达到峰值后迅速下降,试件最大轴向位移和临界温度对应的升温时间相同;当长细比λ≤20或λ≥100时,试件轴向位移曲线在达到峰值后有短暂缓慢下降的过程,最大轴向位移和临界温度对应的升温时间不相同。(5)截面面积A、截面宽厚比H/t、长细比λ、荷载比n和截面高宽比H/B对试件最大轴向位移有着显著影响。在此基础上,对截面面积A、长细比λ和荷载比n三个重要参数进行耦合分析,耦合分析结果表明:当长细比较小(λ≤50)时,长细比λ和荷载比n对试件临界温度的耦合作用较为显著。根据不同长细比条件下钢柱的破坏特征,分别用截面平均应力σ_(ave)和最大侧向位移y_(max)作为火灾下高强钢柱临界状态的判别准则,通过理论推导与数值模拟分析提出不同临界状态下Q550高强钢轴心受压矩形柱临界温度的计算公式。通过理论推导,分别获取高温下高强钢轴心受压柱弹性阶段三种轴向变形(轴向压缩变形、弯曲产生的轴向变形和轴向膨胀变形)的计算公式,结合数值计算结果对公式进行修正,提出火灾下Q550高强钢轴心受压柱最大轴向位移的计算公式。将公式计算结果与试验结果对比分析,验证了计算公式的准确性,为高强钢柱抗火性能的后续研究提供了重要理论基础。
【图文】：

火灾事故,钢结构,火灾

州家电市场钢结构仓库发生火灾，15 分钟后钢结构即发生整体坍塌，造成直接经济损失超过 1 亿元。2013 年 1 月 1 日，杭州萧山永成机械有限公司厂房发生火灾，火灾导致厂房整体倒塌，造成 3 名消防战士牺牲。2013 年 9 月 2 日傍晚，温州瓯海区某海绵制品公司的工厂突发大火，造成 5 人遇难。2016 年 2 月 17 日，四川德阳某泡沫厂发生火灾，整个钢结构厂房全部烧垮，所幸无人伤亡。2016 年，吉林长春德惠市宝源丰禽业有限公司主厂房发生火灾，火灾导致部分钢构件软化，约 200 人伤亡，直接经济损失达 1.72亿元。部分钢结构火灾如图 1-2所示。（a）美国世贸大厦倒塌过程（b）温州家电市场 1号仓库火灾

典型工程,案例,高强钢

（g）悉尼 Grosvenor Place 大楼（h）休斯顿 Reliant Stadium图 1-3国内外高强钢应用的典型工程案例与传统的碳素结构钢和低合金结构钢相比，新的钢材生产工艺（TMCR）高强钢化学成分具有更高的洁净度（即 S、P、N、O 等杂质元素含量和碳），使高强钢具有细化的晶粒组织，良好的塑性和较高的机械强度[13]；以 Nb 化学元素为代表的微合金化技术代替传统的碳元素强化方式，在提高钢材屈同时，也能改善钢材的塑性和韧性，，降低含碳量。为此，国家发改委 2014 年的第 35 号文件《钢铁产业发展政策》中第 34
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TU352.5

【参考文献】